Sensoren für Elektrofahrzeuge Die Batterie von Elektrofahrzeugen richtig schützen

In diesem Jahr beginnt Continental mit der Produktion des neuen Stromsensormoduls. Dieses kompakte modulare Sensordesign misst den Strom und erfasst gleichzeitig die Temperatur. Beide Werte sind als Eingangsgrößen für das Batteriemanagement von großer Bedeutung. Continental bringt zudem ein weiteres Element für den Schutz der Batterie auf den Markt: Die Batterieanprallerkennung ist eine leichtgewichtige Alternative zur schweren „Unterbodenpanzerung“ gegen Schäden.

„Die Elektrifizierung von Fahrzeugen bringt neue Anwendungsfälle mit sich und eröffnet damit neue Möglichkeiten für unsere Sensorikaktivitäten, denn ein Elektroauto hat alle Anforderungen an die Sensorik, die ein herkömmliches Auto hat und mehr“, sagt Laurent Fabre, Leiter des Segments Passive Safety and Sensorics bei Continental. „Der Schutz der Batterie und der Erhalt ihrer Leistungsfähigkeit sind beispielsweise zwei zusätzliche Aufgabenstellungen in Elektrofahrzeugen. Das Stromsensormodul und die Batterieanprallerkennung dienen beiden Zwecken.“

Batteriealterung wird verlangsamt

In Anbetracht der Tatsache, dass die Batterie das teuerste Bauteil in einem Elektroauto ist, wurde das Stromsensormodul nicht nur entwickelt, um die Batterie vor Überstrom zu schützen, sondern auch, um die Batterieeigenschaften zu erhalten, indem es die Alterungseffekte begrenzt. Entweder in der sogenannten Battery Disconnect Unit oder in der Batterie selbst integriert, liefert das Stromsensormodul die beiden entscheidenden Informationen für die Batterieschutzfunktion und eine zuverlässige Reichweitenüberwachung.

Um die strengen Anforderungen an die funktionale Sicherheit zu erfüllen, ist das Stromsensormodul als zweikanaliger Sensor ausgelegt, der durch die Integration von Shunt- und Hall-Technologie in einer kompakten, einzigen Einheit den Strom unabhängig misst.

Die Batterieanprallerkennung in Kombination mit einer Leichtbaukonstruktion erkennt Unterbodenintrusionen und warnt den Fahrer oder die Fahrerin, wenn dadurch ein Werkstattaufenthalt notwendig wird. Damit wird dem Fahrer oder der Fahrerin die schwierige Entscheidung abgenommen, ob ein Aufprall bei hoher Geschwindigkeit oder ein Bodenkontakt bei geringer Geschwindigkeit die Batterie beschädigt haben könnte. Im Vergleich zum derzeitigen Unterbodenschutz aus Metall kann das System bis zu 50 Prozent an Gewicht einsparen.

Zuverlässige Ladeüberwachung: Stromsensormodul hält die Batterie sicher

Lithium-Ionen-Batterien speichern eine große Menge an Energie und bieten eine attraktive Reichweite. Insbesondere beim Laden fließen hohe Ströme in die Batterie. Auf Grund unvermeidlicher physikalischer Effekte erwärmt sich eine Batterie beim Laden und Entladen – insbesondere bei Schnellladungen mit hoher Leistung oder bei sportlicher Fahrweise. Um eine Überlastung der Autobatterie zu vermeiden, muss der Strom geregelt werden, um den Temperaturgradienten zu begrenzen.

„Eine Lithium-Ionen-Batterie hat eine optimale Temperaturspanne, in der sie sehr sicher ist und sehr langsam altert“, sagt Horst Gering, Programmmanager im Segment Passive Safety and Sensorics. „Das schnelle Aufladen der Batterie ist jedoch ein Kompromiss zwischen der Erhaltung der Sicherheit und Gesundheit der Batterie sowie der Begrenzung der Ladedauer. Das geht am besten auf der Basis genauer Daten.“ Außerdem hilft das Stromsensormodul durch die Überwachung der Stromaufnahme der Batterie bei der Berechnung der genauen Restreichweite.

Der gemessene Strom des Stromsensormoduls kann auf bis zu 2.000 A mit einer Genauigkeit von kleiner ±1 Prozent auf dem Shunt-Kanal und ±3 Prozent auf dem Hall-Kanal kalibriert werden, bei Temperaturen im Bereich von -40 bis 125 °C. Beide Strommesstechniken bieten eine vollständige galvanische Trennung.

Diese Messwerte werden dann über eine CAN-Schnittstelle an das Batteriemanagementsystem weitergeleitet. Das Stromsensormodul optimiert nicht nur die Effizienz des Ladevorgangs und schützt die Batterie, sondern hilft auch bei der Erkennung mechanischer Fehlfunktionen, die unbemerkt zu einem Brand führen können. Es unterstützt ASIL D auf Systemebene vollständig. Die Produktion des Stromsensormoduls läuft in diesem Jahr für ein modernes Elektrofahrzeug eines globalen Automobilherstellers an. Das erste Produkt ist Teil einer modularen Sensorplattform, die für zusätzliche Funktionen wie Spannungsmessung und Anzahl der Messkanäle skalierbar ist.

Batterieanprallerkennung – intelligenter Unterbodenschutz

Normalerweise ist die Lithium-Ionen-Batterie eines Elektroautos im Unterboden untergebracht, wo ihr Gewicht zu einem niedrigen Schwerpunkt beiträgt und wo sie durch die Fahrzeugstruktur gut geschützt ist – mit zwei möglichen Ausnahmen: Bei hohen Geschwindigkeiten können Gegenstände, wie zum Beispiel Spanngurte, aufgewirbelt werden und den Unterboden beschädigen.

Bei niedrigen Geschwindigkeiten kann auch der Bodenkontakt während eines Einparkmanövers Schäden verursachen. Deshalb sind Elektrofahrzeuge mit einer großen und oft schweren Abdeckung versehen, die das Batteriefach von der Unterseite her schützt. Wenn es jedoch zu einem Anprall kommt, muss der Fahrer oder die Fahrerin selbst entscheiden, ob das Fahrzeug in einer Werkstatt überprüft werden muss.

„Das ist keine zufriedenstellende Situation, denn die Sicht unter dem Auto ist schlecht und es braucht ein geschultes Auge, um den tatsächlichen Schaden zu beurteilen“, sagt Johannes Clemm, Geschäftsführer der Continental Safety Engineering International in Alzenau. Um hier Abhilfe zu schaffen und einen leichten Unterbodenschutz zu ermöglichen, hat Continental die drucksensorbasierte Batterieanprallerkennung entwickelt.

Dieses System erkennt und klassifiziert Unterbodenanpraller oder -intrusionen, um den Fahrer oder die Fahrerin zu warnen, wenn die Integrität der Batterie verletzt worden sein könnte. Auf diese Weise kann der Autobesitzer Vorsichtsmaßnahmen treffen, bevor sich eine defekte Batterie später entzünden könnte. „Darüber hinaus identifiziert die Batterieanprallerkennung den Bereich des Schadens, sodass das Batteriemanagement die Zellen in diesem Bereich entleeren kann, um eine Brandgefahr zu vermeiden“, fügt Clemm hinzu.

Die Batterieanprallerkennung deckt zwei typische Aufprallrisiken ab: Das eine ist der Bodenkontakt bei geringer Geschwindigkeit, zum Beispiel bei Einparkmanövern, wenn das Fahrzeug langsam über einen Bordstein rollt und den Boden berührt. Bei einem solchen Ereignis könnte das Signal des Systems auch verwendet werden, um ein schnell wirkendes aktives Dämpfersystem auszulösen und so die Unterbodenhöhe vorübergehend zu erhöhen und den Schaden zu mindern.

Der andere Anwendungsfall ist eine Beschädigung bei hoher Geschwindigkeit, die durch aufgewirbelte schwere Gegenstände wie Steine oder Spanngurte auf der Straße verursacht werden kann. Angesichts der Geschwindigkeit und der Einwirkung kann diese Art von Objekten den Unterboden beschädigen und möglicherweise sogar die Struktur der Batterie durchdringen.

Im Vergleich zu aktuellen Lösungen kann der sensorbasierte Unterbodenschutz bis zu 50 Prozent des Gewichts aktueller Batterieabschirmungslösungen pro Fahrzeug einsparen. Die für die Batterieanprallerkennung verwendeten Drucksensor-Satelliten stammen aus dem bewährten Fußgängerschutzsystem (PPS pSAT), das seit mehr als zehn Jahren in Serie produziert und in Millionen von Fahrzeugen eingesetzt wird.

Jede Einwirkung wird über ein daraus resultierendes Drucksignal in einem luftgefüllten, mäanderförmig am Boden des Batteriefachs verlegten Silikonschlauch erkannt. Aus der Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen des Signals bei den zwei Drucksatelliten an den beiden Enden des Schlauchs lässt sich der Bereich des Anpralls berechnen. Die Schwere des Anpralls kann über Signalschwellen klassifiziert werden, die dazu dienen, kaskadierte Alarme für den Fahrer oder die Fahrerin auszulösen.